Глава 1. Технология сварки конструкционных низкоуглеродистых низколегированных сталей

Глава 1. Технология сварки конструкционных низкоуглеродистых низколегированных сталей

 

Особенности свариваемости

Основными требованиями при сварке этих сталей являются: обеспечение равнопрочности металла сварного соединения и основного металла; отсутствие дефектов сварного соединения; заданная геометрия сварного шва; производительность и экономичность процесса сварки [1, 11 – 13]. Эти требования обеспечиваются при выборе соответствующих сварочных материалов и доли участия основного металла в формировании шва в широком диапазоне параметров режима различных способов сварки плавлением. Вместе с тем с увеличением содержания углерода и легирующих элементов в сталях, а также толщины свариваемых элементов повышается чувствительность к закалке, образованию горячих и холодных трещин, а при сварке термоупрочненных сталей – к разупрочнению. Поэтому одной из основных отличительных технологических особенностей сварки низколегированных сталей, по сравнению с низкоуглеродистыми, является более узкий диапазон параметров режима сварки, обеспечивающих требуемые свойства сварных соединений. Проблемы свариваемости высокопрочных низколегированных сталей освещены в работах [3, 7, 9, 13].

Анализ основных проблем сварки конструкционных низкоуглеродистых низколегированных сталей, возникавших в течение последних десятилетий, показывает, что наибольшей явилось старение сварных соединений на мягких сталях. Случаи аварий вследствие хрупких изломов на сварных конструкциях имели место на кораблях, мостах и специальных конструкциях, что сдерживало дальнейшее расширение области применения сварки. Уменьшение склонности стали к старению решается снижением содержания растворенного в стали азота до 0,003% и менее, или же связыванием азота и получением стабильных нитридов (например, алюминия) или карбонитридов (например, титана, циркония, ниобия). Стремление получить стали, стойкие к старению, привело в последние годы к разработке сталей нового типа - микролегированных сталей. Микролегированные стали, а особенно последних марок с низким легированием марганцем, молибденом и микролегированием ниобием представляют собой последние достижения металлургического развития конструкционных свариваемых сталей [3].

Вопросы свариваемости микролегированных сталей до сих пор продолжают оставаться актуальными. Исследовано влияние ниобия на структуру и механические свойства швов, выполненных сваркой под флюсом [5]. Для экспериментов было отобрано шесть плавок низкоуглеродистых сталей, имеющих примерно одинаковый химический состав и содержащих от 0 до 0,085% ниобия (Nb). Результаты опытов показали, что ударная вязкость металла шва в значительной степени зависит от количества игольчатого феррита в структуре и величины предела текучести s _т. В высокопрочных швах (с низким содержанием кислорода и значительным количеством игольчатого феррита в структуре) легирование ниобием оказывает рафинирующее действие на структуру металла шва. В швах с низкой прочностью и высоким содержанием кислорода введение ниобия способствует существенному снижению количества игольчатого феррита. Для определения конечной структуры металла шва в зависимости от скорости охлаждения и прочности необходимо использовать данные термокинетических диаграмм.

На основе термокинетического анализа и дилатометрических исследований построены диаграммы превращений при непрерывном охлаждении для металла шва четырех углеродисто-марганцевых сталей, легированных ниобием. После охлаждения с различной скоростью в металле шва возможно получение различной микроструктуры: доэвтектоидного, пластинчатого, игольчатого и реечного феррита. С помощью диаграмм изучено влияние ниобия (от 0 до 0,03%) на характер превращения в сварных швах различной прокаливаемости. В шве состава (в %): С = 0,1; Mn = 1,35; Si = 0,31, полученном сваркой под флюсом, ниобий увеличивает прокаливаемость и подавляет ферритное и перлитное превращения, снижает количество феррита по границам зерен и увеличивает содержание игольчатого феррита в металле шва. Снижение температуры образования игольчатого феррита приводит к некоторому его измельчению. В металле шва, содержащем (в %) С = 0,09; Мn = 1,0; Si = 0,15, полученном с использованием карбонатного флюса, ниобий способствует образованию пластинчатого феррита и подавляет образование доэвтектоидного феррита.

Весьма положительное влияние на повышение прочности стали оказывает комплексное легирование ниобием и ванадием (сумма обеих примесей не должна превышать 0,15%). При содержании в стали £ 0,16-0,18 % С и ~1,5 % Мn временное сопротивление достигает 560-580 МПа, а предел текучести металла толщиной £ 16-20 мм ³ 450 МПа, ударная вязкость такой стали при низких температурах высокая: при - 40 ⁰С она больше 300 кДж/м². Падение вязкости стали комплексного легирования после высокого отпуска не наблюдается.

Исследовано влияние ниобия и ванадия на механические свойства и склонность к хрупкому разрушению металла швов, сваренных под флюсом. Увеличение концентрации ванадия или ниобия в шве ведет к повышению прочности и ухудшению пластических свойств. Причиной охрупчивания с увеличением микролегирования швов является выделение мелкодисперсных карбидов ниобия и ванадия и карбонитридов, ведущее к развитию напряжений второго рода. Свариваемость микролегированных сталей целесообразно оценивать по индексам свариваемости:

 

; . (1)

Они учитывают влияние состава и позволяют классифицировать стали по их свариваемости при оптимальном способе сварки. При С _W < 0,35 % сталь можно сваривать ручной дуговой сваркой электродами с основным (фтористо-кальциевым) покрытием, механизированной сваркой под флюсом и в CO₂. Если С _w лежит в пределах 0,35-0,45%, то при сварке под флюсом погонную энергию следует уменьшить до 35 кДж/см. При С _w > 0,45% для получения хороших пластических свойств сварку ведут только электродами с фтористо-кальциевым покрытием

В связи с тенденцией к производству оборудования большой единичной мощности в различных отраслях промышленности возрос объем применения толстостенного проката из низколегированных сталей, свариваемость которого представляет определенные сложности. При сварке конструкций из толстостенного проката применяются: электрошлаковая сварка, сварка в узкую разделку механизированными дуговыми способами, электронно-лучевая сварка.

Одним из наиболее эффективных видов сварки конструктивных элементов большой толщины продолжает оставаться электрошлаковая сварка, расширившая возможности производства корпусов, котлов, продукции тяжелого машиностроения и станкостроения, роторов турбин, а также строительных и мостовых конструкций. Главной проблемой свариваемости при электрошлаковой сварке являются низкие пластические свойства крупнозернистой перегретой околошовной зоны, достигающей в случае сварки крупных элементов конструкций (толщиной >100 мм) ширины 5мм и более. Появление такой зоны требует полной перекристаллизационной термической обработки. Необходимость выполнения последующей нормализации сварных соединений с целью повышения их хладностойкости и связанное с этим увеличение трудоемкости и энергоемкости производства сдерживают применение этого способа сварки в промышленности. Поэтому одна из наиболее важных проблем свариваемости сталей состояла в разработке материала, технологии и термической обработки, которые позволили бы применять электрошлаковую сварку в случае толстостенных деталей без последующей нормализации.

Со временем определился ряд подходов к решению данной проблемы. Одним из направлений, обеспечивающих применение электрошлаковой сварки, является разработка новых сталей, не требующих последующей нормализации [7]. За счет дополнительного легирования марганцем, хромом

(£ 2%), молибденом (£ 1%), при одновременном уменьшении содержания углерода до 0,1% удается обеспечить повышенную внутризеренную дисперсность металла шва и околошовной зоны сварных соединений, выполненных электрошлаковой сваркой. В перегретой зоне должна быть бейнитная или бейнитно-мартенситная структура без полиэдрического феррита, должно быть уменьшено содержание углерода (до 0,10-0,12%) с целью устранения видманштеттовой структуры и повышения ударной вязкости металла участка перегрева и, естественно, снижено содержание примесей (загрязнений). Измельчение бывшего аустенитного зерна на участке перегрева, например, путем микролегирования стали нитридами алюминия, является желательным, но не непременным условием получения стали, свариваемой электрошлаковой сваркой без нормализации. Наиболее просто и надежно легировать сталь элементами, которые увеличивают дисперсность, разориентированность внутризеренной структуры, устраняют видманштеттову структуру, подавляют выделение избыточного феррита по границам зерен или увеличивают его стойкость против хрупких разрушений. В этих целях хромомолибденовые стали целесообразно легировать повышенным (до ~2 %) количеством марганца, хрома или небольшими добавками бора. Сталь, предназначенную для электрошлаковой сварки без последующей нормализации, желательно микролегировать церием, что позволяет увеличить чистоту границ зерен. В таких сталях не должно быть микролегирующих элементов, образующих карбиды по границам зерен и вследствие этого резко повышающих критическую температуру хрупкости металла участка перегрева (например, 0,05-0,12 % Тi или 0,05-0,11 % Zr).

Как показали исследования механических свойств, включающие испытания по методам механики разрушения, сварные соединения стали 10Х2ГМ, выполненные электрошлаковой сваркой, обладают достаточным запасом вязкости вплоть до температуры - 40 ⁰С [7]. Все же нельзя утверждать, что данная проблема уже решена на основе этого направления.

Другое направление связано с регулированием структуры и свойств сварных соединений в процессе электрошлаковой сварки. Оно характеризуется многообразием способов и технологических приемов. Известны способы повышения прочностных и пластических характеристик металла сварного шва за счет его легирования специальными элементами - модификаторами (титаном, молибденом, ванадием и др.), способствующими измельчению первичной столбчатой структуры [2, 4]. При электрошлаковой сварке по способу, предложенному в работе [4], между свариваемыми деталями помещают промежуточные прокладки, представляющие собой сетку из низкоуглеродистой стали, в которую запрессована порошковая смесь из раскислителей и легирующих элементов. Хорошие результаты достигнуты при электрошлаковой сварке низколегированных и низкоуглеродистых сталей порошковой проволокой [2]. Способ высокоскоростной электрошлаковой сварки плавящимся мундштуком в узкий зазор предназначен для сварки низколегированной стали, эксплуатируемой при низких температурах. Легирование сварного шва осуществляется через трубчатую электродную проволоку, заполненную флюсом основного типа, в который введены модификаторы. Рассмотренные способы приводят к повышению хладностойкости металла шва, однако, существенно не влияют на свойства участка перегрева зоны термического влияния сварных соединений.

Большинство из известных технологических приемов базируется на регулировании теплового режима в зоне сварки величиной погонной энергии. Например, известен способ электрошлаковой сварки, при котором перед подачей электрода в шлаковую ванну осуществляют его предварительный подогрев за счет увеличения вылета или током от независимого источника [1]. На этом же принципе основан способ электрошлаковой сварки с одновременным оплавлением кромок основного металла при помощи дополнительного электрода, вводимого в шлаковую ванну [14]. Для увеличения производительности сварки при одновременном уменьшении перегрева металла околошовной зоны предложен способ электрошлаковой сварки с присадкой дополнительного материала в виде обесточенной проволоки или пластины, помещаемой в сварочный зазор [6]. Этот способ позволяет примерно в полтора раза повысить скорость сварки и соответственно ограничить погонную энергию. Предложен способ, ограничивающий тепловложение в процессе электрошлаковой сварки, за счет дополнительной подачи в шлаковую ванну порошкообразного присадочного металла. Процесс плавления такого рода металла не сопровождается сильным перегревом, поскольку теплонасыщение гранул происходит мгновенно. При этом примерно в четыре раза сокращается время выдержки околошовной зоны выше температуры интенсивного роста зерна. Снижение степени перегрева металлической ванны, уменьшение ее объема и времени пребывания в жидком состоянии, увеличение скорости нагрева и охлаждения способствуют улучшению свойств металла шва.

Широкое распространение как в нашей стране, так и за рубежом получили способы ограничения тепловложения при электрошлаковой сварке при помощи уменьшения объема наплавленного металла. Последнее достигается за счет изменения величины сварочного зазора, сваркой тонкой проволокой в узкий зазор. Например, уменьшение ширины зазора примерно на 45% приводит к увеличению скорости сварки и снижению тепловложения почти в два раза. Это способствует уменьшению перегрева металла сварного соединения и повышению его стойкости против хрупкого разрушения.

Одним из наиболее эффективных оказалось направление, связанное с внешним воздействием на параметры термических циклов посредством принудительного охлаждения сварного соединения [8]. Этот способ электрошлаковой сварки позволяет непосредственно в процессе сварки обеспечить заданный фазовый состав структуры, а следовательно, и механические свойства сварных соединений. Это положение подтверждено исследованиями, показавшими возможность обеспечения необходимого комплекса эксплуатационных характеристик сварных соединений из термически упрочненных и нормализованных сталей марок 10Г2ФР, 16ГС, 09Г2С. 20К, 20ЮЧ, 12ХМ толщиной 26-100 мм, выполненных электрошлаковой сваркой с регулированием термических циклов. Известен положительный опыт сочетания различных методов для регулирования параметров термических циклов, например, одновременное применение сопутствующего охлаждения и дополнительной подачи в шлаковую ванну порошкообразного присадочного металла (ППМ) при сварке стали марок 10Г2ФР, 12ХМ. Сопутствующее охлаждение оказывает существенное влияние на стадию охлаждения, подача ППМ- на стадию нагрева. При одновременном применении ППМ и сопутствующего охлаждения их воздействие на термические циклы суммируется и позволяет наиболее эффективно оптимизировать их параметры.

Рассмотренные способы, предложенные для снижения структурно-механической неоднородности сварных соединений и повышения их хладностойкости, свидетельствуют о широкой возможности применения электрошлаковой сварки при изготовлении сварных конструкций из толстолистового металла за счет правильного выбора методов регулирования процесса.

Одним из эффективных способов повышения технологических и служебных характеристик металла сварных швов (пластичности, ударной вязкости, жаро- и коррозионной устойчивости, хладностойкости и пр.) является улучшение структуры путем микролегирования редкоземельными металлами (РЗМ). Информационный взрыв, касающийся применения РЗМ в машиностроительной металлургии, произошел в конце 60-х годов 20-го века и направления его разрабатываются до сих пор. За рубежом наибольший интерес этой проблеме уделяется в США и Японии. Из известных 17 редкоземельных металлов применение в металлургической промышленности нашли иттрий и церий. РЗМ (в частности, церий) могут выступать в роли раскислителей, десульфураторов, модификаторов, а также микролегировать металл, изменяя его физико-механические характеристики.

В публикациях, посвященных применению РЗМ в сварочной технике, основное внимание уделяется исследованиям по влиянию РЗМ на структуру и свойства наплавленного металла различных конструкционных материалов, свойства присадочных проволок, стабильность горения дуги.

Весьма перспективным является микролегирование РЗМ сварочных материалов, применяемых для изготовления сварных конструкций, эксплуатируемых в условиях пониженных температур, в которых требования по пластичности и вязкости металла шва является основным критерием. Исследовалось влияние РЗМ и их окислов на механико-технологические свойства наплавленного металла. Металл для исследования наплавляли электродом типа Э-50 с введением в покрытие РЗМ - иттрия и окислов иттрия, церия, диспрозия, эрбия в количестве 0,2 – 3,0 %. Выявлена экстремальная зависимость влияния иттрия на ударную вязкость и пластические свойства. Прочностные характеристики не претерпевают заметного изменения. При введении окислов РЗМ наблюдается тенденция повышения всей гаммы механических свойств. Однако значение ударной вязкости и пластичности ниже, чем при обработке наплавленного металла иттрием. Особенно большой прирост получен по ударной вязкости при испытании на хладностойкость наплавленного металла, микролегированного иттрием. Основной причиной повышения хладностойкости низколегированного наплавленного металла, обработанного иттрием, является рафинирование переплавленного металла, снижение содержания примесей на границе зерен и придание этим примесям сфероидальной формы. Кроме того микродобавки приводят к измельчению зерен феррита. Пластины цементита перлитной составляющей, как установлено при электронно-микроскопическом исследовании, дробятся, теряют ориентировку, образуя прерывистые цепочки по границам зерен, края их округляются. При введении ~ 1% иттрия внутри и по границам зерен начинает образовываться новая фаза, большей частью овальной формы, имеющая светло-розовую окраску на нетравленом шлифе. Новая фаза обогащена иттрием, что установлено микрорентгеноспектральным анализом.

Обработка наплавленного металла иттрием влияет на форму, содержание и размеры неметаллических включений. Крупные неправильной формы включения располагаются, как правило, цепочками, диспергируют, приобретают шаровидную форму и равномерно распределяются по сечению. Количество их уменьшается. Однако введение иттрия выше оптимального содержания приводит к увеличению количества неметаллических включений, не меняя их форму и расположение. Повышение содержания иттрия до 3% приводит к образованию грубых игольчатых структур бейнита и структурно-свободного феррита, что влечет за собой повышение характеристик прочности, падение показателей пластичности.

Введение РЗМ как в основной металл, так и в сварочные материалы существенно влияет на технологические характеристики и стабильность процесса сварки. Изучено влияние РЗМ, вводимого в сталь в количестве 0,013; 0,021и 0,03 %, на стабильность горения дуги, внешний вид шва и разбрызгивание при сварке плавящимся электродом в защитной смеси СО₂ - Аr. Установлено, что частота переноса металла в моменты коротких замыканий и разбрызгивание металла уменьшаются при повышении концентрации РЗМ в основном металле. При введении РЗМ в электродную проволоку при сварке в аргоне легированных и низколегированных сталей, на постоянном токе обратной полярности торец электрода резко заостряется благодаря этому ограничивается блуждание дуги и устанавливается стабильный режим сварки с короткими замыканиями даже при относительно высоком напряжении на дуге (частота 250 Гц). На прямой полярности явление заострения проволоки не наблюдается, но из-за воздействия присадок РЗМ дуга горит стабильно. При сварке на переменном токе присадки РЗМ позволяют применять источники питания с низким напряжением холостого хода за счет снижения напряжения повторного зажигания дуги. Таким образом, обработка сварочной ванны оптимальным количеством РЗМ оказывает благотворное влияние на комплекс механико-технологических свойств низколегированного наплавленного металла. РЗМ в процессе образования сварного шва оказывают сложное действие - наряду с рафинированием модифицируют наплавленный металл, что позволяет считать микролегирование РЗМ существенным резервом повышения качества сварных соединений.

 

Особенности свариваемости

Рассматриваемая группа сталей (40Х, 30ХГСА, 25Н3 и др.) относится к закаливающимся сталям, в сварных соединениях которых под действием термического цикла сварки (ТЦС) могут образовываться хрупкие и малопластичные зоны в участках, где металл нагревался до температур выше точки Ас₃. Распад аустенита при охлаждении в условиях сварочного термического цикла начинается при более низких температурах и в некоторых случаях полностью не заканчивается даже при остывании до 20 ⁰С. При этом в структуре металла наряду с мартенситом остается нестабильный остаточный аустенит (в зависимости от уровня легирования).

Стали, склонные к резкой закалке, имеющие в результате ТЦС структуру мартенсита и остаточного аустенита при повышенной концентрации водорода и воздействии внутренних напряжений чувствительны к образованию холодных трещин (ХТ). Наиболее часто ХТ образуются в швах и ОШЗ среднеуглеродистых и легированных сталей перлитного и мартенситного классов, свариваемых проволокой, состав которой близок к составу основного металла. Холодные трещины возникают как в интервале температур образования мартенсита (250 ⁰С и ниже), так и после полного остывания сварного соединения, спустя некоторое, иногда значительное время после сварки (1- 2 суток). Чем ниже температура распада аустенита, грубее структура мартенсита, выше уровень внутренних сварочных и структурных напряжений, тем вероятнее образование ХТ. С увеличением толщины свариваемого металла возможность образования холодных трещин возрастает.

Элементы, снижающие температуру g ® М превращения, усиливают склонность металла к образованию холодных трещин. В указанных сталях температура мартенситного превращения снижается при повышении содержания марганца, никеля, хрома, молибдена и др. О свариваемости стали применительно к ее чувствительности к закаливаемости судят по эквиваленту углерода, определяемого по соотношению (20).

Стали с С_экв > 0,45 склонны к образованию холодных трещин при сварке. Однако этот критерий не является основанием для неприменения стали в сварной конструкции. При одном и том же показателе С_экв стали с большим содержанием углерода имеют более высокую чувствительность к ХТ, чем сложнолегированные стали с меньшим содержанием углерода. Образование холодных трещин спустя некоторое время после полного остывания сварного соединения является наиболее неприятным, так как качество изделия теряется после его контроля. Замедленное разрушение связано с фиксированием нестабильного остаточного аустенита в структуре мартенсита при быстром остывании участков сварных соединений, нагревающихся выше точки Ас₃. Остаточный аустенит с течением времени распадается при Т = 20 ⁰С. Интенсивность этого процесса усиливается при охлаждении ниже 0 ⁰С.

 

Таблица 4

Критические скорости охлаждения

Марка стали	40Х	35ХГС	30ХМ	35ХГСА	25ХН2
Vкр., 0С/с	2,5 – 3,7	6	8	2,5 –6,0	2,0 –3,7

 

Для основных марок сталей этой группы практикой определены минимально допустимые скорости охлаждения, т.е. такие, при которых потеря пластичности из-за чрезмерного роста зерна не происходит (табл. 5)..

Однако часто не удается удовлетворить оба требования и приходится идти на частичную закалку с некоторым понижением пластичности (например, 30ХМ). Поэтому после сварки необходимо произвести термообработку.

 

Таблица 5

Основные методы сварки

Ручная дуговая сварка покрытыми электродами. Конструктивные элементы подготовки кромок для ручной дуговой сварки штучными электродами такие же, как и для сварки углеродистых сталей, т. е. в соответствии с рекомендациями ГОСТ 5264-80. Для сварки низколегированных сталей повышенной прочности выбирают электроды типов Э-50А, Э-70, Э-85 и др. по ГОСТ 9467-75.

Температуру предварительного подогрева при сварке низколегированных сталей с повышенным содержанием углерода назначают в соответствии с результатами расчета, выполненного по методике, изложенной в 2.2 данной главы. Расчетную скорость охлаждения при температуре наименьшей устойчивости аустенита принимают для стали данной марки в зависимости от характера термообработки до и после сварки и требований к свойствам сварного соединения.

Если сталь перед сваркой подвергают термообработке на высокую прочность (нормализации или закалке с отпуском), а после сварки - отпуску для снятия напряжений и выравнивания механических свойств сварного соединения с целью обеспечения его равнопрочности с основным металлом, то критерием расчетного определения температуры предварительного подогрева будет скорость охлаждения V _д, при которой имеет место частичная закалка околошовной зоны, но гарантируется отсутствие трещин в процессе сварки и до проведения последующей термообработки.

Если сталь перед сваркой подвергают термообработке, но после сварки отпуск невозможен из-за крупных размеров конструкции, то сталь данной марки можно использовать для изготовления такой конструкции только в том случае, если не предъявляется жестких требований к равнопрочности сварного соединения и основного металла в условиях статического нагружения. Для обеспечения свойств сварного соединения, гарантирующих требуемую его работоспособность, критерием необходимой температуры подогрева будет диапазон скоростей охлаждения, обеспечивающий необходимый уровень механических свойств в околошовной зоне.

Аустенитными электродами обычно сваривают без предварительного подогрева, но при этом регламентируется время с момента окончания сварки до проведения термообработки изделия. Если сваривают низколегированные стали с невысоким содержанием углерода (0,12 - 0,17%), то последующую термообработку проводят в исключительно редких случаях. Разделку заполняют каскадом или горкой, причем длину участков рассчитывают согласно указаниям, изложенным в 2.2 данной главы. Температура охлаждения зоны термического влияния в процессе сварки допускается не ниже Т_в = 150 - 200 °С.

Механизированная сварка под флюсом. Конструктивные элементы подготовки кромок под автоматическую и механизированную сварку под флюсом выполняют такими же, как и при сварке углеродистых и низколегированных незакаливающихся конструкционных сталей, т. е. в соответствии с рекомендациями ГОСТ 8713-79. Однако в диапазоне толщин, для которого допускается сварка без разделки и со скосом кромок, последней следует отдать предпочтение. Наряду с затруднениями, связанными с образованием холодных трещин в околошовной зоне и получением металла шва и других зон сварного соединения со свойствами, обеспечивающими высокую работоспособность сварных соединений, при механизированной сварке под флюсом швы имеют повышенную склонность к образованию горячих трещин. Это связано с тем, что при данном способе сварки доля основного металла в металле шва достаточно велика (см. 2.3).

При использовании для сварки низкоуглеродистых проволок в полной мере можно реализовать преимущество сварки под флюсом: получать швы с глубоким проплавлением, используя при однопроходной сварке стыковых соединений без разделки кромок повышенный сварочный ток и скорость сварки. Необходимый состав металла шва будет обеспечиваться повышением доли основного металла в шве, которую при выборе режима сварки во избежание перелегирования шва следует проверять расчетом.

Сварочные материалы (электродную проволоку и флюс) выбирают в зависимости от состава и назначения свариваемой стали. Для низколегированных сталей повышенной прочности (например 40Х, ЗОХГС, ЗОХНМ, ЗОХМА и им подобным) в зависимости от требований, предъявляемых к сварным соединениям, используют низкоуглеродистую проволоку Св-08А и легированные проволоки, например Св-10ГН, Св-08ГСМТ, Св-18ХГС и др.

Флюс выбирают в зависимости от марки электродной проволоки. При использовании низкоуглеродистой проволоки или низколегированной, не содержащей достаточного количества элементов раскислителей, сварку выполняют под кислыми высоко-или среднемарганцовистыми флюсами (в зависимости от состава свариваемой стали). При использовании низколегированных проволок, содержащих элементы-раскислители в достаточном количестве, лучшие результаты (по механическим свойствам металла шва) обеспечивает применение низкокремнистых, низкомарганцовистых флюсов, например АН-15, АН-24, АН-20.

Температуру предварительного подогрева при сварке низколегированных сталей с повышенным содержанием углерода рассчитывают по методике, изложенной в п. 2.2 данной главы, причем расчетную скорость охлаждения в зависимости от характера термообработки до и после сварки и требований к свойствам сварных соединений выбирают на тех же основаниях, что и при ручной дуговой сварке.

Сварка в среде защитных газов. Сварка в среде защитных газов находит широкое применение при изготовлении тонколистовых конструкций из низколегированных (с повышенным содержанием углерода) сталей и конструкций из металла средней и большой толщины. Конструктивные элементы подготовки кромок под сварку в среде защитных газов следует выполнять в соответствии с требованиями ГОСТ 14771-76.

В зависимости от разновидности метода сварки в защитных газах подготовка кромок должна быть различной. Так как при сварке в защитных инертных газах расплавленный металл изолирован от атмосферного воздуха, то в сварочной ванне могут протекать металлургические процессы, связанные с наличием в нем растворенных газов и легирующих элементов, внесенных из основного или дополнительного металла. При использовании смесей инертных с активными газами возникают металлургические взаимодействия между элементами, содержащимися в расплавленном металле, и активными примесями в инертном газе.

Если в сварочной ванне содержится некоторое количество кислорода, то при высоких концентрациях углерода будет протекать реакция окисления его. Если концентрация углерода в сварочной ванне в период кристаллизации будет достаточно высокой, то при отсутствии или недостатке других раскислителей реакция образования СО будет продолжаться, что может вызвать порообразование. Возникновению пор способствует также и водород, содержание которого при малой степени окисленности ванны может быть достаточно высоким.

Для подавления реакции окисления углерода в период кристаллизации металла шва в сварочной ванне должно содержаться достаточное количество раскислителей, например кремния или марганца. Наряду с этим устранение пор при отсутствии раскислителей при сварке с защитой аргоном может быть достигнуто некоторым повышением степени окисленности ванны за счет добавки к аргону кислорода (до 5%) или углекислого газа (до 25%) в смеси с кислородом (до 5%). При этом интенсифицируется окисление углерода в зоне высоких температур (в головной части сварочной ванны), усиливается его выгорание, вследствие чего концентрация углерода и содержание кислорода в сварочной ванне к моменту начала кристаллизации уменьшаются и тем самым прекращается образование СО.

Интенсивное окисление углерода вызывает энергичное кипение сварочной ванны в головной ее части, за счет которого пузырьки окиси углерода, интенсивно выделяясь из ванны, захватывают и уносят выделяющийся из раствора водород, как бы очищая ванну. При сварке низколегированных закаливающихся сталей в инертных газах и их смесях с активными можно использовать любую из тридцати марок легированной проволоки, предусмотренных ГОСТ 2246-70; ту или иную марку необходимо выбирать в зависимости от состава и свойств свариваемых сталей и от требуемого состава металла шва.

При сварке в углекислом газе - активном окислителе металла ванны - в составе проволоки обязательно, кроме других легирующих элементов, должны присутствовать раскислители - кремний и марганец (а иногда и титан). Поэтому для сварки в углекислом газе можно использовать только те проволоки, в составе которых содержатся эти элементы, т. е. в маркировке обозначены «Г» и «С», например Св-08Г2С, Св-08ГСМТ, Св-08ХГСМА, Св-08ХГСМФА и др. в зависимости от состава свариваемой стали и требований к механическим свойствам металла шва.

Отсутствие толстой шлаковой корки на поверхности шва позволяет выполнять механизированную сварку в защитных газах короткими и средней длины участками (каскадом, горной), сократить до минимума перерыв между наложением слоев многослойного шва, а также выполнять автоматическую двух- или многодуговую сварку дугами, горящими в различных плавильных пространствах таким образом, чтобы тепловое воздействие от выполнения последующего слоя на околошовную зону предыдущего происходило при необходимой температуре. Все это позволяет регулировать термический цикл наилучшим образом, добиваясь наиболее благоприятных структур в околошовной зоне.

Электрошлаковая сварка. Применение электрошлаковой сварки низколегированных сталей с повышенным содержанием углерода наиболее рационально для соединения толстолистовых конструкций. Основные типы и конструктивные элементы сварных соединений и швов, выполняемых электрошлаковой сваркой, должны соответствовать требованиям ГОСТ 15164-80, который регламентирует основные типы соединений, выполняемых всеми разновидностями электрошлаковой сварки.

Для электрошлаковой сварки низколегированных сталей повышенной прочности применяют флюсы марок АН-8, АН-22 и др. При выборе электродной проволоки для электрошлаковой сварки следует исходить из требований к составу металла шва. Флюс практически мало влияет на состав металла шва вследствие малого его количества. Поэтому только в случае необходимости легирования шва элементами, обладающими большим сродством к кислороду (например титаном, алюминием), следует применять флюсы на основе фторидов или системы CaF₂-CaO-Al₂O₃.

Электродные проволоки при сварке проволочными электродами и плавящимся мундштуком в зависимости от состава свариваемой стали и требований, предъявляемых к шву, выбирают из числа групп легированных или высоколегированных проволок по ГОСТ 2246-70, например Св-08ХГ2С, Св-08ГСМТ, Св-18ХМА, Св-10Х5М и др. Пластины при сварке плавящимся мундштуком и пластинчатыми электродами изготовляют из аналогичных сталей.

Высокие значения погонной энергии при электрошлаковой сварке позволяют в ряде случаев выполнять ее без предварительного подогрева, даже при сварке низколегированных сталей с повышенным содержанием углерод». Однако при неблагоприятных условиях и при электрошлаковой сварке могут возникать горячие трещины в шве и горячие и холодные трещины типа отколов в околошовной зоне. Трещины-отколы возникают преимущественно в начале шва и на участках возобновления процесса из-за случайных перерывов. Для предупреждения горячих трещин в шве необходимо выполнять сварку на режимах, обеспечивающих получение относительно неглубокой и широкой металлической ванны. При этом столбчатые кристаллиты по мере приближения их к оси изгибаются кверху, вследствие чего отсутствует резко выраженная встреча кристаллитов. Наоборот, при сварке на режимах, при которых образуется узкая и глубокая сварочная ванна, столбчатые кристаллиты, растущие от противоположных кромок, почти не изменяют своего направления, и при их встрече образуется резко выраженная плоскость слабины. Для предупреждения трещин в околошовной зоне при сварке жестко закрепленных элементов необходимо применять предварительный подогрев до температуры 150—200 ⁰С.

Низкие скорости охлаждения околошовной зоны при электрошлак